Вода. Водневий зв’язок

Жодна з планет Сонячної системи не містить на своїй поверхні такої великої кількості води, як наша Земля. Моря і океани, середня глибина яких близько 6 км, покривають 71 % поверхні Землі. Величезна кількість води у вигляді снігу та льоду зосереджено в приполярних районах.

Цей дивовижний факт поки не знайшов однозначного пояснення. Безумовно, вода відіграє величезну роль у виникненні та існуванні життя на нашій планеті. Багато в чому це пов’язано з властивостями, яких немає у її найближчих сусідів і аналогів (H2S, H2Se і т.д. – див таблицю 7-1 в попередньому параграфі). Перш за все потрібно розібратися, чому вода може знаходитися в рідкому і навіть у твердому стані (лід) в умовах, в яких схожі з’єднання водню з більш важкими елементами (сіркою, селеном і т.д.) газоподібні. Дві поділені електронні пари беруть участь в утворенні двох полярних ковалентних зв’язків, а що залишилися дві неподіленого пари електронів теж відіграють важливу роль у властивостях води. Всі заступники у атома кисню, включаючи неподіленого пари, прагнуть розташуватися якомога далі один від одного (згадайте § 3.6). Це призводить до того, що молекула набуває форму спотвореного тетраедра з атомом кисню в центрі. У чотирьох вершинах цього ” тетраедра ” знаходяться два атоми водню і дві неподіленого пари електронів. Але якщо дивитися тільки за центрами атомів, то виходить, що молекула води має кутову будову, причому кут Н -О -Н становить приблизно 105 градусів.

Для виникнення водневих зв’язків важливо, щоб в молекулах речовини були атоми водню, пов’язані з невеликими, але електронегативними атомами, наприклад: O, N, F. Це створює помітний частковий позитивний заряд на атомах водню. З іншого боку, важливо, щоб у електронегативних атомів були неподіленого електронні пари. Коли збіднений електронами атом водню однієї молекули (акцептор) взаємодіє з неподіленої електронної парою на атомі N, O або F іншої молекули (донор), то виникає зв’язок, схожа на полярну ковалентну. У водних розчинах аміаку або HF ці молекули утворюють водневі зв’язки не тільки між собою, але і з молекулами води. Завдяки водневим зв’язкам аміак NH3 має фантастичну розчинність: в 1 л води може розчинятися 750 л газоподібного аміаку ! У органічних речовинах зустрічаються також внутрімолекулярні водневі зв’язки, сильно впливають на просторову форму цих молекул.

Енергія зв’язку водневого зв’язку Н — О в димере води (H2O) 2 становить 21,5 кДж / моль, а її довжина 2,04 А. Таким чином, ці зв’язки довші і приблизно в 10-20 разів менш міцні, ніж звичайні ковалентні, але саме вони змушують воду бути рідиною або льодом (а не газом) у звичайних умовах. Водневі зв’язки руйнуються тільки тоді, коли рідка вода переходить у пар.

При температурах вище 0 °С (але нижче температури кипіння) вода вже не має таку впорядковану міжмолекулярної структуру, як показано на малюнках 7- 1а і 7- 1б. Тому в рідкій воді молекули пов’язані між собою лише в окремі агрегати з декількох молекул. Ці агрегати можуть вільно рухатися поруч один з одним, утворюючи рухливу рідину. Але при зниженні температури впорядкованість стає все більше і більше, а агрегати – все більшими. Нарешті, утворюється лід, який має приблизно таку впорядковану структуру, як на рис. 7- 1б і 3-15 з § 3.8.

До речі, на цих малюнках добре видно, що в кристалі льоду між молекулами залишаються порожнечі. Об’єм пустот трохи більше, ніж розмір окремої молекули Н2О. Тому лід має меншу щільність, ніж рідка вода і плаває на поверхні. Більшість же інших речовин при замерзанні збільшує свою щільність.

Таким чином, водневі зв’язки надають воді ще одна унікальна властивість, без якого навряд чи могла б існувати різноманітна життя в тих районах Землі, де температура взимку знижується нижче 0 °С. Якби лід тонув у воді, то взимку всі водойми промерзали б до самого дна. Важко очікувати, що риби погодилися б жити в таких умовах. Людина могла б розтоплювати лід, перетворюючи його у воду для своїх потреб, але це вимагало б величезних витрат додаткової енергії.

** Ще одне красиве прояв водневих зв’язків – блакитний колір чистої води в її товщі. Коли одна молекула води коливається, вона змушує коливатися та пов’язані з нею водневими зв’язками інші молекули. На збудження цих коливань витрачаються червоні промені сонячного спектра, як найбільш підходящі по енергії. Таким чином, з сонячного спектру ” фільтруються ” червоні промені – їх енергія поглинається і розсіюється хитаються молекулами води у вигляді тепла.

У білому сонячному світлі різні кольори як би врівноважують один одного. Тому сонячне світло здається оку “білим” – позбавленим кольору. Якщо ” відфільтрувати ” промені однієї ділянки спектру, то починає проступати інший – в даному випадку блакитний ділянку спектра. Він і забарвлює воду в красивий блакитний колір. Але для цього потрібно, щоб сонячний промінь пройшов не менш ніж через 2 – х метрову товщу чистої води і ” втратив ” достатньо багато червоних променів.

Посилання на основну публікацію